[工学]伺服系统设计 课件 伺服系统设计ch

因此 1988 年前后,国际上开始出现“运动控制”(MOTION CONTROL)这一名称。
运动控制是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转 变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度控 制、加速度控制、转矩或力的控制,它是控制电机技术、传感 器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术等多学 科的交叉应用技术。
数控系统及其伺服驱动技术
伺服系统是数控机床非常重要的一部分,是与设备 本体联系的关键环节,它接收 CNC 发来的速度和位 移信号,控制电动机的运动速度、方向,使设备加工 定位和运动轨迹精确无误。
伺服系统一般由位置控制、速度控制组成,通常将 位置控制部分与数控装置做在一起。伺服驱动装置 按其结构特点有开环、半闭环、闭环之分。数控机 床的功能强弱取决于 NC 装置,而其性能好坏、取决 于伺服驱动系统。伴随着数控系统的发展,数控系统 的伺服驱动技术也得到了相应的发展,从电液脉冲马 达、功率步进电机发展到高性能交、直流伺服电动 机驱动系统。特别是高性能交流电动机伺服系统代 表了当前伺服驱动系统的发展方向。
绪论
运动控制概念 伺服系统设计课程特点 伺服控制技术的发展 伺服系统的组成 伺服系统技术指标 伺服系统设计内容与步骤
运动控制概念
运动控制起源于早期的伺服驱动技术,随着电力电子技术、微 电子技术及计算机技术的迅猛发展,原有的电气传动控制的概 念已经不能充分反映现代自动化系统的控制体系。
数控系统对伺服驱动控制装置的要求
(2)应具有足够的转动力矩,以满足机床快速 移动和重切削的要求。
(3)应具备快速的动态响应特性,以使系统具 有良好的动态跟随性能,尽快消除负载扰动对 电动机速度的影响。
(4)与 CNC 系统的接口应当简便。整个伺服 驱动系统应可以方便的接收来自上一级的指 令,同时将自身运行状况传送到上一级控制器。
数控系统对伺服驱动控制装置的要求
(5)伺服电动机的转子惯量要小,以提高系统的加减 速特性。电动机的尺寸和重量应尽可能小,便于安装。
(6) 在启动过程中应该保持平滑运行,电动机的转矩 脉动尽可能要小,以免运动过程中产生过大的噪声, 在停止过程中不应产生爬行现象和高频振动。
(7) 电机本身也应安全可靠,在使用过程中便于维护。
运动控制概念
一个运动控制系统主要的性能指标一般为:动态响 应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁棒性。
这些指标是一个统一的整体,是实现一个运动控制系 统的关键技术所在。
目前高性能的运动控制技术在数控加工等应用领域 上所面临的主要问题:
一是在存在扰动、非线性、模型和参数不确定性的 情况下如何设计高性能的控制器;
二是如何实现动态响应的快速性和状态监控。其运 动控制性能的获得和问题的解决不仅意味着执行机 构和仪器等方面的先进技术,更重要的是新型控制策 略的应用。
数控系统及其伺服驱动技术
机床领域的运动控制技术称为数控——即数 字控制,指数字信号对机床运动及其加工过程 进行控制的一种方法,如果采用计算机来实现 部分或全部数控功能,则称为计算机数控。
输入/输出装置:是数控系统和操作人员进行信息交 流所必须具备的交互设备, 最基本的输入/输出装置 是键盘、显示器等,系统可通过键盘输入程序、编辑 修改 程序和发送操作命令;显示器为操作人员提供 必要的信息,根据系统所处的状态和操作命令的不同, 显示的信息可以是在编辑的程序,或是机床的加工信 息。
运动控制概念
运动控制系统可分为强电(功率变换)和弱电 (信号处理与控制)两部分,前者依赖于电力电 子器件,后者决定于控制器件。
运动控制的控制器件经历分立电子元件、集 成电路等发展阶段,直至微型计算机的出现,使 控制器件发生了飞跃——由硬件电路发展到 软件控制,运动控制系统也随之进入微机控制 全数字的新阶段。
数控机床伺服系统的研究现状和发展
方向
数控机床由伺服系统所支持,伺服系统的跟踪性能 通常用两个指标来衡量:跟踪误差和轮廓误差。跟踪 误差是指理想位置与实际位置之差,而轮廓误差是指 理想轨迹 与实际轨迹之差。在机械加工中,工件的 尺寸精度是由轮廓误差所决定的。因此,伺服控制器 的性能和加工质量、效率密切相关。从机床控制系 统的角度看 ,机床控制是一个动态系统,控制系统中 不确定因素的产生主要是由于：
数控系统及其伺服驱动技术
检测装置:即反馈元件,是半闭、闭环系统设有的反 馈装置。由测量元件和显示环节组成,显示位移量的 标值。检测精度和稳定性对于系统的控制精度有着 决定的影响。
可编程控制器(PLC):用来进行逻辑运算、顺序控制、 算术运算等,并将操作指令输出,顺序控制的受控对 象随设备的类型、结构、辅助装置的不同而有很大 差别,CNC 和 PLC 配合协调完成对设备的控制。
数控系统对伺服驱动控制装置的要求
作为数控机床进给驱动用的伺服系统,要实现高速度、 高精度、快速响应、精确跟踪、稳定可靠、高效率 高质量加工,应满足以下要求：
(1)应具有足够宽的调速范围,通常要求达到1:10000 以上,才能满足低速加工和高速返回的要求,即要能 使机械运动跟踪控制指令,能使机械快速移动到所规 定的距离,能在规定的位置上使机械保持停止状态, 能使机械的移动方向自由地正反改变。
数控系统一般由计算机数控装置(CNC 装置)、 伺服驱动装置、位置检测装置、可编程控制 器(PLC)、辅助控制装置及输入/输出与通信 接口等部分构成。
数控系统及其伺服驱动技术
数控装置(CNC):是数控系统的核心,它的主要功能 是将输入的数控加工程序 经过输入、缓存、译码、 寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通 过可编 程逻辑控制器(PLC)对伺服驱动系统的控制。
数控机床伺服系统的研究现状和发展 方向
1)系统的输入包含有随机扰动,如机床振动、工件ห้องสมุดไป่ตู้ 料硬度不均等;
2) 系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性。传 统的数控系统对机床的控制主要采用经典控制论方 法,大部分是 PID控制,PID 控制器以其结构简单,使 用方便和运行可靠等优点在运动控制中也经常被采 用。不过在解决系统中存在着非线性因素不易定量 描述的控制问题时,PID 控制器显得力不从心。由于 PID 控制器的结构本身以及算法设计依赖对象的局 限性,使得精度的改善导致动态性能的减弱,而动态 性能的改善,又使执行机构庞大且能耗增加。